DE102017126365A1 - Apparatus and method for producing a zeolite - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (PR) zur Detemplatisierung eines Zeoliths, insbesondere zur Herstellung von nano- und/oder mikroskaligen oder nano- und/oder mikrokristallinen detemplatisierten Zeolith-Partikeln (P), beispielsweise mit einer mittleren Partikelgröße von 10 nm bis wenigen Millimetern, aus mindestens einem einen templathaltigen Zeolith umfassenden Rohstoffmaterial (RM), umfassend
- mindestens einen Brenner (1) und eine sich an den Brenner (1) anschließende Brennkammer (2) zur Erzeugung eines pulsierenden Heißgasstroms (HGS),
- eine sich an die Brennkammer (2) anschließende Reaktionsraumanordnung (5),
- einen zwischen der Brennkammer (2) und der Reaktionsraumanordnung (5) angeordneten Aufgabeort (AO) zur Aufgabe des Rohstoffmaterials (RM).
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Detemplatisierung eines Zeoliths.
The invention relates to a device (PR) for the detemification of a zeolite, in particular for the production of nano- and / or microscale or nano- and / or microcrystalline detemplated zeolite particles (P), for example having an average particle size of 10 nm to a few millimeters, comprising at least one raw material material (RM) comprising a templated zeolite
at least one burner (1) and a combustion chamber (2) adjoining the burner (1) for generating a pulsating hot gas flow (HGS),
a reaction space arrangement (5) adjoining the combustion chamber (2),
- A between the combustion chamber (2) and the reaction space arrangement (5) arranged task location (AO) for the task of raw material (RM).
The invention further relates to a method for the detemification of a zeolite.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detemplatisierung eines Zeoliths, insbesondere zur Herstellung von feinteiligen, insbesondere nano- und/oder mikroskaligen oder nano- und/oder mikrokristallinen detemplatisierten Zeolith-Partikeln.The invention relates to a device for the detemification of a zeolite, in particular for the production of finely divided, in particular nano- and / or microscale or nano- and / or microcrystalline detemplated zeolite particles.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Detemplatisierung eines Zeoliths, insbesondere zur Herstellung von feinteiligen, insbesondere nano- und/oder mikroskaligen oder nano- und/oder mikrokristallinen detemplatisierten Zeolith-Partikeln.The invention furthermore relates to a process for the deplating of a zeolite, in particular for the production of finely divided, in particular nano- and / or microscale or nano- and / or microcrystalline, detemplated zeolite particles.
Solche Zeolith-Partikel weisen typischerweise eine mittlere Partikel- oder Korngröße von 10 nm bis zu wenigen Millimetern auf.Such zeolite particles typically have an average particle or grain size of 10 nm to a few millimeters.
Zeolithe sind kristalline Alumosilikate, die in zahlreichen Modifikationen in der Natur vorkommen, aber auch synthetisch hergestellt werden können. Das heißt, Zeolithe sind Gerüstsilikate, die sich durch Hohlräume in der kristallinen Struktur auszeichnen. Die allgemeine chemische Summenformel für Zeolithe ist Me2/nO·Al2O3·xSiO2·yH2O, wobei Me für Alkali- oder Erdalkalimetalle und n für deren Wertigkeit steht. Alkali- und Erdalkaliionen werden zum Ladungsausgleich für den Einbau des dreiwertigen Al3+-Ions in das aus vierwertigem Si4+-Ionen gebildete SiO2-Gitter benötigt. Jene sind nur lose an das Gitter gebunden und können leicht ausgetauscht werden. Die Ionenaustauschfähigkeit wird technisch zum Beispiel für die Wasserenthärtung genutzt. Werden die Alkali- und Erdalkaliionen gegen Protonen ausgetauscht, können Zeolithe auch als feste Brønsted-Säuren für z. B. säurekatalysierte Reaktionen eingesetzt werden.Zeolites are crystalline aluminosilicates that are found in many modifications in nature, but can also be produced synthetically. That is, zeolites are framework silicates characterized by voids in the crystalline structure. The general chemical formula for zeolites is Me 2 / n O.Al 2 O 3 .xSiO 2 .yH 2 O, where Me stands for alkali metals or alkaline earth metals and n for their valency. Alkali and alkaline earth ions are needed to charge balance for the incorporation of the trivalent Al 3+ ion in the formed of tetravalent Si 4+ ions SiO 2 lattice. Those are only loosely tied to the grid and can be easily exchanged. The ion exchange capacity is used technically, for example for water softening. If the alkali and alkaline earth ions are exchanged for protons, zeolites can also be used as solid Brønsted acids for z. B. acid-catalyzed reactions can be used.
Je nach Struktur der Zeolithe umfassen diese unterschiedlich große Hohlräume und Fenster in eine oder mehrere Raumrichtungen. Eine Porosität der Zeolithe erlaubt es, größenselektiv Gase und Dämpfe aufzunehmen und wieder abzugeben. Depending on the structure of the zeolites, these include cavities and windows of different sizes in one or more spatial directions. A porosity of the zeolites makes it possible to absorb and release gases and vapors in a size-selective manner.
Neben der größenselektiven Adsorption ist aber auch eine Polarität von großer Bedeutung. Diese wird maßgeblich durch den Aluminium-Anteil im Gitter und einer damit verbundenen Ausbildung polarer Zentren bestimmt. Polare Gasmoleküle, wie z.B. CO2 und H2O, adsorbieren dann bevorzugt und besonders stark an diesen Plätzen. Aluminiumreiche Zeolithe sind folglich besonders adsorptionsselektiv und weisen hydrophile Eigenschaften auf.In addition to the size-selective adsorption but also a polarity of great importance. This is largely determined by the aluminum content in the lattice and an associated formation of polar centers. Polar gas molecules, such as CO 2 and H 2 O, then adsorb preferentially and particularly strongly at these sites. Aluminum-rich zeolites are therefore particularly adsorption-selective and have hydrophilic properties.
Durch Substitution der Gerüstionen (Si, Al) gegen z. B. Ge, Ti, Sn, Se, Hg etc. können auch modifizierte Zeolithe, wie z. B. germaniumhaltige oder titanhaltige (z. B. Titaniumsilikalith TS) Zeolithe synthetisiert werden. Bei vollständiger Substitution von Silizium und Aluminium spricht man von Zeolithanaloga. Wird die Gerüststruktur vollständig oder teilweise durch Aluminium- und Phosphorionen aufgebaut, entstehen die bekannten Zeolithanaloga der AlPOs und SAPOs.By substitution of the framework ions (Si, Al) against z. As Ge, Ti, Sn, Se, Hg, etc. can also be modified zeolites, such as. For example, germanium-containing or titanium-containing (eg, titanium silicalite TS) zeolites can be synthesized. Full substitution of silicon and aluminum is called zeolite analogues. If the framework structure is completely or partially built up by aluminum and phosphorus ions, the known zeolite analogues of AlPOs and SAPOs are formed.
Eine Vielzahl von Zeolithen und Zeolithanaloga können nur mit Hilfe organischer Templatmoleküle synthetisiert werden. Templatmoleküle sind strukturdirigierende Agenzien, die bei der Zeolithsynthese die Anordnung der Gitterbausteine unterstützen. Typische Template sind häufig organische Ammoniumhydroxide und -salze, wie zum Beispiel Tetrapropylammoniumhydroxid (TPAOH), Tetrapropylammoniumbromid (TPABr), Tetraethylammoniumhydroxid (TEAOH) etc. aber auch Substanzen wie z.B. Kronenether und Morpholin. Die Template verbleiben nach der Synthese im Zeolithkäfig. Soll der Käfig zugänglich werden, müssen die Template entfernt werden (Detemplatisierung). Dies geschieht zumeist durch Pyrolyse und Oxidation. Die Temperaturen werden dabei so gewählt, dass die thermische Zersetzung des Templates weitestgehend abgeschlossen ist, der Zeolith jedoch möglichst minimalem thermischen Stress ausgesetzt ist. Häufig werden Temperaturen zwischen 400°C und 500°C gewählt. Als Aggregat finden in der Technik oft Rohröfen Anwendung. Die Erhitzung des Zeolithmateriales kann alternativ auch durch Mikrowellenbehandlung erfolgen. Des Weiteren sind schonende Detemplatisierungsverfahren, wie die Behandlung mit H2O2 oder Ozon bekannt, die jedoch technisch nicht eingesetzt werden. A variety of zeolites and zeolite analogues can only be synthesized using organic template molecules. Template molecules are structure-directing agents that support the arrangement of lattice building blocks during zeolite synthesis. Typical templates are often organic ammonium hydroxides and salts, such as tetrapropylammonium hydroxide (TPAOH), tetrapropylammonium bromide (TPABr), tetraethylammonium hydroxide (TEAOH) etc. but also substances such as crown ethers and morpholine. The templates remain in the zeolite cage after synthesis. If the cage is to be accessible, the templates must be removed (detemplating). This is usually done by pyrolysis and oxidation. The temperatures are chosen so that the thermal decomposition of the template is largely completed, but the zeolite is exposed to the least possible thermal stress. Frequently, temperatures between 400 ° C and 500 ° C are selected. As an aggregate tube furnaces are often used in the art. The heating of the zeolite material may alternatively be carried out by microwave treatment. Furthermore, gentle detemplation methods, such as the treatment with H 2 O 2 or ozone are known, but which are not used technically.
Feinteilige Zeolithe sind besonders interessant, da Atome oder Moleküle, die Teil einer Oberfläche sind, andere elektronische und chemische Eigenschaften als ihre Atome oder Moleküle im Materialinneren haben. Je kleiner ein Partikel ist, desto höher ist sein Anteil an Oberflächenatomen. Entsprechend können sehr feinteilige Materialien, besonders Nanopartikel, ganz andere mechanische, elektronische, chemische oder optische Eigenschaften haben als chemisch - mineralogisch identische größere Partikel und machen sie deshalb für spezifische Anwendungen besonders interessant. Darüber hinaus gestatten feinteilige Partikel bei Abscheidung als Schicht die Herstellung besonders dünner Schichten.Finely divided zeolites are particularly interesting because atoms or molecules that are part of a surface have different electronic and chemical properties than their atoms or molecules inside the material. The smaller a particle is, the higher its content of surface atoms. Accordingly, very finely divided materials, especially nanoparticles, can have quite different mechanical, electronic, chemical or optical properties than larger, chemically and mineralogically identical particles, making them particularly interesting for specific applications. In addition, finely divided particles allow the production of particularly thin layers when deposited as a layer.
Zur Herstellung von feinteiligen Pulvern haben sich im Wesentlichen die folgenden Herstellungsverfahren etabliert:
- - Chemische Herstellung in Lösungen (z.B. Sol-Gel-Methode, hydrothermale Synthese etc.);
- - Herstellung im Plasma oder Herstellung aus der Gasphase (Aerosolprozess).
- - Chemical preparation in solutions (eg sol-gel method, hydrothermal synthesis, etc.);
- - Production in plasma or production from the gas phase (aerosol process).
Je nach Einsatzgebiet der Nanoteilchen ist meist eine genau definierte und enge Partikelgrößenverteilung erforderlich. Abhängig von der chemischen Natur der gewünschten Nanoteilchen eignet sich das eine oder andere Verfahren besser, um ein gutes Ergebnis zu erreichen. Meist liefern Verfahren in Lösung oder Verfahren der Selbstorganisierung die besten Ergebnisse, sind aber großtechnisch nur schwer oder gar nicht durchführbar.Depending on the field of application of the nanoparticles, a well-defined and narrow particle size distribution is usually required. Depends on the chemical nature of the desired nanoparticles, one or the other method is better suited to achieve a good result. In most cases, solution or self-assembly methods provide the best results, but are difficult or impossible to do on a large scale.
Aus der WO 02/072471 bzw. aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Detemplatisierung eines Zeoliths, insbesondere zur Herstellung von feinteiligen, beispielsweise nano- und/oder mikroskaligen oder nano- und/oder mikrokristallinen detemplatisierten Zeolith-Partikeln, anzugeben. The invention is based on the object to provide an improved apparatus and an improved method for the detemination of a zeolite, in particular for the production of finely divided, for example nano- and / or micro-scale or nano- and / or microcrystalline detemplated zeolite particles.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.With regard to the device, the object is achieved by the features specified in
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detemplatisierung eines Zeoliths, insbesondere zur Herstellung von nano- und/oder mikroskaligen oder nano- und/oder mikrokristallinen detemplatisierten Zeolith-Partikeln, beispielsweise mit einer mittleren Partikelgröße von 10 nm bis zu wenigen Millimetern, aus mindestens einem einen templathaltigen Zeolith umfassenden Rohstoffmaterial, umfasst mindestens einen Brenner und eine sich an den Brenner anschließende Brennkammer zur Erzeugung eines pulsierenden Heißgasstroms. An die Brennkammer schließt sich eine Reaktionsraumanordnung an, wobei zwischen der Brennkammer und der Reaktionsraumanordnung ein Aufgabeort zur Aufgabe des Rohstoffmaterials angeordnet ist.The device according to the invention for the detemification of a zeolite, in particular for the production of nano- and / or microscale or nano- and / or microcrystalline detemplated zeolite particles, for example having an average particle size of 10 nm to a few millimeters, comprising at least one templathaltigen zeolite Raw material material includes at least one burner and a combustion chamber adjoining the burner for generating a pulsating hot gas flow. The combustion chamber is adjoined by a reaction space arrangement, wherein a task location for discharging the raw material material is arranged between the combustion chamber and the reaction space arrangement.
Unter nanoskaligen Partikeln, die in der zuvor beschriebenen Vorrichtung hergestellt werden, werden insbesondere Partikel im Nanobereich gemäß DIN SPEC 1121 (DIN ISO/TS 27687) verstanden, die beispielsweise Korn- oder Partikelgrößen im Bereich von 10 nm bis 120 nm, insbesondere im Bereich von 20 nm bis 100 nm, beispielsweise von 40 nm bis 80 nm, aufweisen. Unter nanokristallinen Partikeln, die in der zuvor beschriebenen Vorrichtung hergestellt werden, werden insbesondere Partikel verstanden, deren Korn aus mehreren kleinen Kristallen gebildet ist und eine Korn- oder Partikelgröße von wenigen Millimetern, insbesondere von kleiner 8 mm, insbesondere kleiner 5 mm oder 3 mm, aufweisen. Auch können unter feinteiligen Partikeln nanokristalline Partikel mit einer Partikelgröße von < 20 µm verstanden werden. Darüber hinaus kann verstanden werden, dass Nanopartikel, insbesondere so genannte nanoskalige Partikel, auf Partikel größen im Nanobereich bezogen sind, wobei nanokristalline Partikel eine im Vergleich größere Partikelgröße aufweisen können. Die nanokristallinen Partikel kennzeichnen sich durch beispielsweise eine polykristalline Struktur, bei welcher die Kristalle Größenanordnungen im Nanobereich aufweisen können. Diese Stoffe können ebenso differenzierte Eigenschaften aufweisen. Insbesondere sind beide Partikelarten abhängig vom Eingangsmaterial erzeugbar.Nanoscale particles which are produced in the apparatus described above are in particular nanoscale particles according to DIN SPEC 1121 (DIN ISO / TS 27687) which, for example, have particle sizes in the range from 10 nm to 120 nm, in particular in the range from 20 nm to 100 nm, for example from 40 nm to 80 nm. Nanocrystalline particles which are produced in the device described above are in particular understood to mean particles whose grain is formed from a plurality of small crystals and have a particle size of a few millimeters, in particular less than 8 mm, in particular less than 5 mm or 3 mm, respectively. Also, finely divided particles may be understood to mean nanocrystalline particles having a particle size of <20 μm. In addition, it can be understood that nanoparticles, in particular so-called nanoscale particles, are based on particle sizes in the nanoscale, with nanocrystalline particles having a comparatively larger particle size. The nanocrystalline particles are characterized by, for example, a polycrystalline structure in which the crystals can have size arrangements in the nanoscale. These substances can also have differentiated properties. In particular, both types of particles can be generated depending on the input material.
Das Rohstoffmaterial wird beispielsweise in Form eines Feststoffs, einer Lösung oder Suspension aufgegeben. Dabei kann die Aufgabe des Rohstoffmaterials je nach Ausführung an unterschiedlichen Aufgabeorten erfolgen.The raw material material is given up, for example, in the form of a solid, a solution or suspension. The task of the raw material can be done depending on the design at different places.
Unter dem Reaktionsraum wird insbesondere jenes Anlagen- oder Reaktorraumvolumen, wie beispielsweise Rohr-, Behälter- und/oder Leitungsvolumen, vom Aufgabeort des Rohstoffmaterials bis hin zur Abkühlung des Materials vor einer Abscheidung oder einem Filtern der hergestellten Partikel verstanden.The reaction space is understood to be, in particular, that plant or reactor space volume, such as, for example, pipe, container and / or pipe volume, from the point of application of the raw material to cooling of the material prior to separation or filtering of the produced particles.
Bei einer Verwendung herkömmlicher, aus dem Stand der Technik bekannter Vorrichtungen, ist eine Durchführung einer Detemplatisierung von Zeolithen, d. h. einem Entfernen von Templaten aus Zeolithen, sehr aufwendig und muss in mehreren separaten Arbeitsgängen und damit verbundenen Unterbrechungen durchgeführt werden. Insbesondere weisen genannten Verfahren Limitierungen auf, wenn besonders feinteilige Zeolithe, insbesondere Zeolithnanopartikel, detemplatisiert werden sollen. Diese Limitierungen betreffen beispielsweise ein Austragen der feinen Partikel aus einer heißen Zone, beispielsweise in einem Rohrofen, eine ungenügende Durchströmung von Pulverbetten, beispielweise in einem Muffelofen und/oder bei einer H2O2- oder Ozonbehandlung, eine unzureichende Eindringtiefe in Pulverbetten, beispielsweise bei Verwendung einer Mikrowelle. Eine weitere Herausforderung stellt das Auftreten von schlagartigen Verbrennungsreaktionen und eine damit einhergehende Ausbildung heißer Zonen, so genannter Hot Spots, dar. Eine Wahrscheinlichkeit für Hot Spots steigt mit sich reduzierendem Partikeldurchmesser. Die in den Hot Spots auftretenden Übertemperaturen führen zur Zerstörung der Zeolithnanopartikel und zu deren Aggregation und damit zu einem Verlust des nanopartikulären Charakters.Using conventional prior art devices, performing zeolite detemplation, ie, removing zeolite templates, is very expensive and must be performed in several separate operations and associated breaks. In particular, said processes have limitations if particularly finely divided zeolites, in particular zeolite nanoparticles, are to be detembled. These limitations relate, for example, to discharging the fine particles from a hot zone, for example in a tube furnace, insufficient flow of powdered beds, for example in a muffle furnace and / or H 2 O 2 or ozone treatment, an insufficient penetration depth in powder beds, for example Use of a microwave. Another challenge is the occurrence of sudden combustion reactions and the associated formation of hot zones, so-called hot spots. A probability of hot spots increases with reducing particle diameter. The excessive temperatures occurring in the hot spots lead to the destruction of zeolite nanoparticles and their aggregation and thus to a loss of the nanoparticulate character.
In besonders überraschender Weise kann die Detemplatisierung des Zeoliths kontinuierlich in einem einzigen Arbeitsgang innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgrund deren Funktionsweise als Pulsationsreaktor erfolgen. Aufgrund der Verwendung des Pulsationsreaktors ist dabei gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen, beispielsweise einem Drehrohrofen, in vorteilhafter Weise eine Behandlung von Einzelteilchen, d. h. der einzelnen Partikel, möglich. Hierbei sind auch Prozesstemperaturen von mehr als 500 °C möglich, ohne dass eine Schädigung des Zeoliths erfolgt. Des Weiteren wird im Gegensatz zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Detemplatisierung in einer Mikrowelle, einem Drehrohrofen oder einem Muffelofen, in welchen eine plötzliche Verbrennung und Zersetzung der Template erfolgt, aufgrund der Verwendung des Pulsationsreaktors eine Entstehung so genannter Hot Spots und eine Schädigung der kristallinen Struktur des Zeoliths durch austretende Gase vermieden. Dies resultiert insbesondere aus einer relativ kurzen Verweilzeit des Zeoliths in der Vorrichtung und der dabei in kurzer Zeit stattfindenden Erhitzung und Abkühlung. Aufgrund der Pulsation des Heißgasstroms wird hierbei ein besonders hoher Stoff- und Wärmetransport erreicht, aufgrund dessen die Schädigung des Zeoliths vermieden wird. Gleichzeitig erfolgt jedoch eine vollständige Verbrennung des zumindest einen Templats. Somit ist die Detemplatisierung des Zeoliths vollständig sowie besonders schnell, einfach und zuverlässig durchführbar. Ein mikro- oder nanokristalliner Charakter des Zeoliths wird dabei in vorteilhafter Weise beibehalten.In a particularly surprising manner, the detemplation of the zeolite can be carried out continuously in a single operation within the apparatus according to the invention due to their mode of operation as a pulsation reactor. Due to the use of Pulsationsreaktors is opposite From the prior art known devices, such as a rotary kiln, advantageously a treatment of individual particles, ie the individual particles possible. Here, process temperatures of more than 500 ° C are possible without causing damage to the zeolite. Furthermore, in contrast to a known from the prior art detemplation in a microwave, a rotary kiln or a muffle furnace, in which occurs a sudden combustion and decomposition of the template, due to the use of Pulsationsreaktors formation of so-called hot spots and damage to the crystalline structure of the zeolite avoided by leaking gases. This results in particular from a relatively short residence time of the zeolite in the device and thereby taking place in a short time heating and cooling. Due to the pulsation of the hot gas flow in this case a particularly high mass and heat transport is achieved, due to which the damage to the zeolite is avoided. At the same time, however, complete combustion of the at least one template takes place. Thus, the depletion of the zeolite is complete and very fast, easy and reliable feasible. A micro- or nanocrystalline character of the zeolite is maintained in an advantageous manner.
Hierbei werden bei der Detemplatisierung insbesondere Glühverluste von weniger als 10 Gew.%, ein Kohlenstoffgehalt im detemplatisierten Zeolith von weniger als 0,1 Gew.% bei Beibehaltung der Kristallstruktur des Zeoliths realisiert.In this case, in the case of detemplation, in particular annealing losses of less than 10% by weight, a carbon content in the detemplated zeolite of less than 0.1% by weight, while maintaining the crystal structure of the zeolite, are realized.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Reaktionsraumanordnung einen als Resonanzrohr ausgebildeten Reaktionsraum. Beispielsweise umfasst das Resonanzrohr einen kreisrunden Querschnitt, wodurch insbesondere eine gleichmäßige Zerstäubung des zuzuführenden Materials im Heißgasstrom und eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung über den Querschnitt ermöglicht werden kann.According to one possible embodiment of the device, the reaction space arrangement comprises a reaction space designed as a resonance pipe. For example, the resonance tube comprises a circular cross-section, which in particular a uniform atomization of the material to be supplied in the hot gas stream and a particularly uniform temperature distribution over the cross section can be made possible.
In einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform der Vorrichtung ist die Brennkammer als ein Brennraum ausgebildet, dessen Abmessungen, insbesondere dessen Durchmesser, größer ist als Abmessungen, insbesondere der Durchmesser des Resonanzrohres. Bei der Auswahl bestimmter Geometrien der Brennkammer und des Reaktionsraumes, insbesondere des Resonanzrohres, kann die Pulsationen des Heißgasstromes verstärkt werden.In an alternative or additional embodiment of the device, the combustion chamber is designed as a combustion chamber whose dimensions, in particular its diameter, is greater than dimensions, in particular the diameter of the resonance tube. When selecting certain geometries of the combustion chamber and the reaction space, in particular the resonance tube, the pulsations of the hot gas stream can be amplified.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Reaktionsraumanordnung einen weiteren Reaktionsraum, welcher dem Reaktionsraum nachgeschaltet ist. Dieser weitere Reaktionsraum ermöglicht eine verlängerte Verweilzeit des Heißgasstroms mit dem Zeolith in der Reaktionsraumanordnung und somit eine vollständige Detemplatisierung. Dabei können die beiden Reaktionsräume einen einheitlichen Reaktionsraum bilden.According to another possible embodiment of the device, the reaction space arrangement comprises a further reaction space, which is connected downstream of the reaction space. This further reaction space allows a prolonged residence time of the hot gas stream with the zeolite in the reaction space arrangement and thus complete detemplation. The two reaction spaces can form a uniform reaction space.
Zur Abscheidung der Partikel als Reaktionsprodukt, d. h. des partikelförmigen detemplatisierten Zeoliths, aus dem Heißgasstrom ist gemäß einer möglichen Weiterbildung der Vorrichtung der Reaktionsraumanordnung eine geeignete Abscheidevorrichtung für feinteilige Partikel oder Feinstpartikel nachgeschaltet.For the separation of the particles as a reaction product, d. H. of the particulate detemplated zeolite, according to a possible development of the device of the reaction space arrangement, a suitable separation device for finely divided particles or ultrafine particles is connected downstream of the hot gas stream.
In einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Abscheidevorrichtung eine Abgasnachbehandlung, welche beispielsweise zumindest einen Wäscher und zumindest ein Gebläse umfasst, nachgeschaltet ist, mittels welcher eine Reinigung eines entstehenden Abgases realisiert werden kann.In one possible embodiment of the device, it is provided that the separation device is followed by an exhaust gas aftertreatment, which comprises, for example, at least one scrubber and at least one blower, by means of which a purification of an emerging exhaust gas can be realized.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Detemplatisierung eines Zeoliths, insbesondere zur Herstellung von nano- und/oder mikroskaligen oder nano- und/oder mikrokristallinen detemplatisierten Zeolith-Partikeln, beispielsweise mit einer mittleren Partikelgröße von 10 nm bis zu wenigen Millimetern, aus mindestens einem einen templathaltigen Zeolith umfassenden Rohstoffmaterial mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder Ausgestaltungen dieser, wird das Rohstoffmaterial am Aufgabeort einer mittels des Brenners erzeugten Flamme derart zugeführt, dass sich ein das Rohstoffmaterial führender Heißgasstrom bildet. Das Rohstoffmaterial wird im Heißgasstrom in der Reaktionsraumanordnung derart thermisch behandelt, dass zumindest ein Templat zumindest teilweise aus dem templathaltigen Zeolith entfernt wird. Nach Durchströmen der Reaktionsraumanordnung wird der detemplatisierte Zeolith vom Heißgasstrom getrennt.In the method according to the invention for the detemification of a zeolite, in particular for the production of nano- and / or microscale or nano- and / or microcrystalline detemplated zeolite particles, for example having an average particle size of 10 nm to a few millimeters, of at least one templated zeolite comprehensive raw material material by means of the device according to the invention or embodiments thereof, the raw material is supplied at the point of delivery of a flame generated by the burner such that forms a raw material leading hot gas stream. The raw material is thermally treated in the hot gas stream in the reaction space arrangement such that at least one template is at least partially removed from the templated zeolite. After flowing through the reaction space arrangement, the detemplated zeolite is separated from the hot gas stream.
In besonders überraschender Weise kann die Detemplatisierung des Zeoliths mittels des Verfahrens kontinuierlich in einem einzigen Arbeitsgang aufgrund der Funktionsweise der Vorrichtung als Pulsationsreaktor durchgeführt werden. Hierbei sind auch Prozesstemperaturen von mehr als 500 °C möglich, ohne dass eine Schädigung des Zeoliths erfolgt. Des Weiteren wird im Gegensatz zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Detemplatisierung in einer Mikrowelle, einem Drehrohrofen oder einem Muffelofen, in welchen eine plötzliche Verbrennung und Zersetzung der Template erfolgt, aufgrund der Verwendung des Pulsationsreaktors eine Entstehung so genannter Hot Spots und eine Schädigung der kristallinen Struktur des Zeoliths durch austretende Gase vermieden. Dies resultiert insbesondere aus einer relativ kurzen Verweilzeit des Zeoliths in der Vorrichtung und der dabei in kurzer Zeit stattfindenden Erhitzung und Abkühlung. Aufgrund der Pulsation des Heißgasstroms wird hierbei ein besonders hoher Stoff- und Wärmetransport erreicht, aufgrund dessen die Schädigung des Zeoliths vermieden wird. Gleichzeitig erfolgt jedoch eine vollständige Verbrennung des zumindest einen Templats. Somit wird die Detemplatisierung des Zeoliths vollständig sowie besonders schnell, einfach und zuverlässig durchgeführt. Ein mikro- oder nanokristalliner Charakter des Zeoliths wird dabei in vorteilhafter Weise beibehalten.In a particularly surprising manner, the detemplation of the zeolite by means of the method can be carried out continuously in a single operation due to the functioning of the device as a pulsation reactor. Here, process temperatures of more than 500 ° C are possible without causing damage to the zeolite. Furthermore, in contrast to a known from the prior art detemplation in a microwave, a rotary kiln or a muffle furnace, in which occurs a sudden combustion and decomposition of the template, due to the use of Pulsationsreaktors formation of so-called hot spots and damage to the crystalline structure of the zeolite avoided by leaking gases. This results in particular from a relatively short residence time of the zeolite in the device and the heating taking place in a short time and cooling off. Due to the pulsation of the hot gas flow in this case a particularly high mass and heat transport is achieved, due to which the damage to the zeolite is avoided. At the same time, however, complete combustion of the at least one template takes place. Thus, the depletion of the zeolite is complete and very fast, easy and reliable. A micro- or nanocrystalline character of the zeolite is maintained in an advantageous manner.
Hierbei werden bei der Detemplatisierung insbesondere Glühverluste von weniger als 10 Gew.%, ein Kohlenstoffgehalt im detemplatisierten Zeolith von weniger als 0,1 Gew.% bei Beibehaltung der Kristallstruktur des Zeoliths realisiert.In this case, in the case of detemplation, in particular annealing losses of less than 10% by weight, a carbon content in the detemplated zeolite of less than 0.1% by weight, while maintaining the crystal structure of the zeolite, are realized.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird der Heißgasstrom mit dem Rohstoffmaterial durch einen als Resonanzrohr ausgebildeten Reaktionsraum und einen weiteren Reaktionsraum, welcher dem Reaktionsraum nachgeschaltet ist, geleitet und thermisch behandelt. Beispielsweise umfasst das Resonanzrohr einen kreisrunden Querschnitt, wodurch insbesondere eine gleichmäßige Zerstäubung des zuzuführenden Materials im Heißgasstrom und eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung über den Querschnitt ermöglicht werden kann. Aufgrund der Behandlung des Zeoliths in mehreren Reaktionsräumen wird eine verlängerte Verweilzeit des Heißgasstroms mit dem Zeolith in der Reaktionsraumanordnung erzielt und somit eine vollständige Detemplatisierung durchgeführt.According to a possible embodiment of the method, the hot gas stream with the raw material material is passed through a reaction space designed as a resonance tube and another reaction space, which is connected downstream of the reaction space, and thermally treated. For example, the resonance tube comprises a circular cross-section, which in particular a uniform atomization of the material to be supplied in the hot gas stream and a particularly uniform temperature distribution over the cross section can be made possible. Due to the treatment of the zeolite in multiple reaction spaces, a prolonged residence time of the hot gas stream with the zeolite in the reaction space arrangement is achieved and thus a complete detemplation is performed.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird als Rohstoffmaterial der templathaltige Zeolith in Pulverform oder der templathaltige Zeolith in einer Suspension mit Wasser verwendet.According to another possible embodiment of the method, the templated zeolite in powder form or the templated zeolite in a suspension with water is used as raw material.
Gemäß einer möglichen Weiterbildung des Verfahrens wird in der Reaktionsraumanordnung eine Prozesstemperatur im Bereich von 500°C bis 900°C, beispielsweise von 600 °C bis 900 °C, beispielsweise von 700 °C bis 900 °C, beispielsweise von 700 °C bis 800 °C, eingestellt. Die Einstellung der Prozesstemperatur erfolgt beispielsweise anhand einer Einstellung eines Luft-/Brennstoffgemisches am Eingang des Brenners, wobei die Prozesstemperatur insbesondere derart gewählt wird, dass die Detemplatisierung vollständig erfolgt und eine Schädigung des Zeoliths vermieden wird.According to a possible development of the method, a process temperature in the range from 500 ° C. to 900 ° C., for example from 600 ° C. to 900 ° C., for example from 700 ° C. to 900 ° C., for example from 700 ° C. to 800 ° C., is used in the reaction space arrangement ° C, set. The setting of the process temperature is carried out for example by adjusting an air / fuel mixture at the entrance of the burner, the process temperature is chosen in particular such that the detemplation is complete and damage to the zeolite is avoided.
Eine mögliche Ausgestaltung des Verfahren sieht vor, dass als templathaltiger Zeolith ein Silikalith verwendet wird, welches als Templat Tetrapropylammoniumhydroxid und/oder Tetrapropylammoniumbromid umfasst. Eine weitere mögliche Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der Heißgasstrom mit dem detemplatisierten Zeolith nach Durchströmung der Reaktionsraumanordnung gekühlt wird und anschließend der Abscheidevorrichtung zur Trennung des Zeoliths aus dem Heißgasstrom zugeführt wird. Somit kann der detemplatisierte Zeolith als feinteilige Partikel oder Feinstpartikel abgeschieden werden.A possible embodiment of the process envisages using as template-containing zeolite a silicalite which comprises tetrapropylammonium hydroxide and / or tetrapropylammonium bromide as template. Another possible embodiment of the method provides that the hot gas stream is cooled with the detemplated zeolite after flowing through the reaction space arrangement and then the separation device for separating the zeolite from the hot gas stream is supplied. Thus, the detemplated zeolite can be deposited as finely divided particles or Feinstpartikel.
Eine mögliche Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der Heißgasstrom nach der Abscheidung einer Reinigung zugeführt wird. Somit kann eine Reinigung eines entstehenden Abgases realisiert werden.A possible development of the method provides that the hot gas stream is supplied after the separation of a cleaning. Thus, a purification of a generated exhaust gas can be realized.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird der in dem Heißgasstrom befindliche detemplatisierte Zeolith in der Vorrichtung derart thermisch behandelt, dass sich ein ebenfalls dem Heißgasstrom zugeführter Oberflächenmodifikator an den Zeolith anbindet, und nach Durchströmen der Reaktionsraumanordnung wird der oberflächenmodifzierte Zeolith vom Heißgasstrom getrennt. Eine Aufgabe des Oberflächenmodifaktors erfolgt beispielsweise im weiteren Reaktionsraum. Die Aufgabe kann dabei mittels Verdüsung erfolgen.According to one possible embodiment of the method, the detemplated zeolite in the hot gas stream is thermally treated in the apparatus so that a surface modifier also supplied to the hot gas stream attaches to the zeolite, and after flowing through the reaction space arrangement, the surface-modified zeolite is separated from the hot gas stream. An object of the surface modifier takes place, for example, in the further reaction space. The task can be done by means of atomization.
In besonders überraschender Weise kann die Oberflächenmodifizierung des Zeoliths in einem einzigen Arbeitsgang innerhalb der Vorrichtung aufgrund deren Funktionsweise als Pulsationsreaktor durchgeführt werden. Hierbei sind auch Prozesstemperaturen von mehr als 500 °C möglich, ohne dass eine Schädigung des Oberflächenmodifikators oder ein Verbrennen desselben erfolgt. Dies resultiert insbesondere aus einer relativ kurzen Verweilzeit des Zeoliths und des Oberflächenmodifikators in der Vorrichtung und der dabei in kurzer Zeit stattfindenden Erhitzung und Abkühlung. Aufgrund der Pulsation des Heißgasstroms wird hierbei ein besonders hoher Stoff- und Wärmetransport erreicht, aufgrund dessen die Schädigung und das Verbrennen des Oberflächenmodifikators vermieden werden. Somit kann die Oberflächenmodifizierung des Zeoliths mittels des Verfahrens besonders schnell, einfach und zuverlässig durchgeführt werden.In a particularly surprising manner, the surface modification of the zeolite can be carried out in a single operation within the device due to their operation as a pulsation reactor. In this case, process temperatures of more than 500 ° C are possible without causing damage to the surface modifier or burning the same. This results in particular from a relatively short residence time of the zeolite and the surface modifier in the device and thereby taking place in a short time heating and cooling. Due to the pulsation of the hot gas flow in this case a particularly high mass and heat transport is achieved, due to which the damage and the burning of the surface modifier are avoided. Thus, the surface modification of the zeolite by the method can be carried out particularly quickly, easily and reliably.
Dabei ermöglichen das Verfahren und die Vorrichtung beispielsweise eine erfolgreiche Durchführung einer Modifizierung von Oberflächeneigenschaften von detemplatisierten Zeolithen durch Aufbringen und Anbinden von Polysilanen, Polysilazanen und ähnlichen metallorganischen Verbindungen begrenzter thermischer Stabilität trotz relativ hoher Prozesstemperaturen.For example, the method and apparatus allow for successful modification of surface properties of detemplated zeolites by applying and attaching polysilanes, polysilazanes, and similar organometallic compounds of limited thermal stability despite relatively high process temperatures.
Um die Oberflächenmodifizierung des Zeoliths in einem einzigen Arbeitsgang innerhalb der Vorrichtung besonders schnell, einfach und zuverlässig durchzuführen, wird in einer möglichen Weiterbildung des Verfahrens in dem Bereich der Vorrichtung, in welchem die Oberflächenmodifizierung erfolgt, eine Prozesstemperatur von 500 °C bis 850 °C, beispielsweise von 550 °C bis 700 °C, beispielsweise von 580 °C bis 670 °C, eingestellt. Die Einstellung der Prozesstemperatur erfolgt beispielsweise anhand einer Einstellung eines Luft-/Brennstoffgemisches am Eingang des Brenners, wobei die Prozesstemperatur insbesondere derart gewählt wird, dass das Lösungsmittel möglichst vollständig verbrennt, keine Verpuffungen stattfinden und der Oberflächenmodifikator nicht beschädigt oder verbrannt wird.In order to perform the surface modification of the zeolite in a single operation within the device particularly quickly, easily and reliably, in a possible development of the method in the region of the device in which the surface modification takes place, a Process temperature of 500 ° C to 850 ° C, for example, from 550 ° C to 700 ° C, for example, from 580 ° C to 670 ° C, adjusted. The setting of the process temperature is carried out for example by adjusting an air / fuel mixture at the entrance of the burner, wherein the process temperature is chosen in particular such that the solvent burns as completely as possible, no deflagrations take place and the surface modifier is not damaged or burned.
Die Oberflächenmodifizierung kann dabei innerhalb der Vorrichtung aus einer Flüssig- und/oder aus einer Gasphase des Rohstoffmaterials erfolgen.The surface modification can be carried out within the device from a liquid and / or from a gas phase of the raw material.
Um eine Hydrophobierung der äußeren Oberfläche des Zeoliths, beispielsweise des Silikaliths, zu erreichen, wird gemäß einer möglichen Weiterbildung des Verfahrens als Oberflächenmodifikator 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltriethoxysilan verwendet.In order to achieve a hydrophobing of the outer surface of the zeolite, for example of the silicalite, is used according to a possible development of the method as a surface modifier 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird der Heißgasstrom mit dem oberflächenmodifzierten Zeolith gekühlt und anschließend der Abscheidevorrichtung zur Trennung des oberflächenmodifzierten Zeoliths aus dem Heißgasstrom zugeführt. Somit kann der oberflächenmodifizierte Zeolith als feinteilige Partikel oder Feinstpartikel abgeschieden werden.According to another possible embodiment of the method, the hot gas stream is cooled with the surface-modified zeolite and then fed to the separation device for separating the surface-modified zeolite from the hot gas stream. Thus, the surface-modified zeolite can be deposited as finely divided particles or Feinstpartikel.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Darin zeigen:
-
1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln, -
2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln und -
3 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln.
-
1 schematically a first embodiment of a device for producing particles, -
2 schematically a second embodiment of an apparatus for producing particles and -
3 schematically a third embodiment of an apparatus for producing particles.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
Die Vorrichtung
Der thermische Reaktor ist beispielhaft als ein Pulsationsreaktor ausgebildet, in welchem in einem pulsierenden, schwingenden Heißgasstrom
Als Brennstoff
Als Verbrennungsgas
Im Detail werden der Brennstoff
Die Frequenz des pulsierenden Heißgasstroms
Der Reaktionsraum
Zwischen der Brennkammer
Die Aufgabe des Rohstoffmaterials
Beispielsweise erfolgt die Aufgabe des Rohstoffmaterials
Alternativ kann die Aufgabe des Rohstoffmaterials
Zusätzlich kann das Rohstoffmaterial
Hierzu kann die Vorrichtung
In einer möglichen Weiterbildung ist ein Aufgabeort derart im Bereich des Brenners
Somit kann auch die Brennkammer
Der Reaktionsraumanordnung
Durch den infolge der Verbrennung in die Reaktionsraumanordnung
In dem Heißgasstrom
Zur Einstellung und Überwachung der Prozesstemperatur werden an verschiedenen Positionen an der Vorrichtung
Innerhalb der Reaktionsraumanordnung
Aufgrund der kurzen Verweilzeit des Zeoliths im Heißgasstrom
Anschließend werden beispielsweise mittels Kühlluft, insbesondere gefilterter Umgebungsluft, der Heißgasstrom
Der Abscheidevorrichtung
In einer möglichen Ausgestaltung wird zu einer Oberflächenmodifizierung des detemplatisierten Zeoliths der Vorrichtung
Der Oberflächenmodifikator ist beispielsweise 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltriethoxysilan.The surface modifier is, for example, 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane.
Innerhalb des Heißgasstroms
Zur Einstellung und Überwachung der Prozesstemperatur werden an verschiedenen Positionen an der Vorrichtung
Aufgrund der kurzen Verweilzeit des Oberflächenmodifikators im Heißgasstrom
In dem Ausführungsbeispiel, in welchem der Zeolith ein Silikalith und der Oberflächenmodifikator 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltriethoxysilan ist, wird als Produkt ein partikelförmiger oberflächenmodifizierter Zeolith erhalten, welcher hydrophob und somit in Wasser nicht oder zumindest nur teilweise lösbar ist. In the embodiment in which the zeolite is a silicalite and the surface modifier is 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane, the product obtained is a particulate surface-modified zeolite which is hydrophobic and thus not or only partially soluble in water.
Dabei umfasst die Abgasnachbehandlung
In
Im Unterschied zu dem in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Brennerburner
- 22
- Brennkammercombustion chamber
- 33
- Zuführungfeed
- 55
- ReaktionsraumanordnungReaction chamber arrangement
- 5.15.1
- Reaktionsraumreaction chamber
- 5.25.2
- Reaktionsraumreaction chamber
- 77
- Abscheidevorrichtungseparating
- 88th
- Abgasnachbehandlungexhaust aftertreatment
- 8.18.1
- Wäscherwasher
- 8.28.2
- Gebläsefan
- 99
- Kamin fireplace
- AA
- Abgasexhaust
- AOAO
- AufgabeortAufgabeort
- BSBS
- Brennstofffuel
- HGSHGS
- HeißgasstromHot gas stream
- PP
- Partikelparticle
- RR
- Strömungsrichtungflow direction
- PRPR
- Vorrichtungdevice
- PR'PR '
- Vorrichtungsabschnittdevice section
- RMRM
- RohstoffmaterialRaw material material
- VGVG
- Verbrennungsgascombustion gas
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102004044266 A1 [0012]DE 102004044266 A1 [0012]
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DE102017126365.9A DE102017126365A1 (en) | 2017-11-10 | 2017-11-10 | Apparatus and method for producing a zeolite |
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-
2017
- 2017-11-10 DE DE102017126365.9A patent/DE102017126365A1/en active Pending
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